[工学]模拟电子技术第8章课件.ppt

1、第八章第八章 波形的产生与变换电路波形的产生与变换电路8.1 正弦波振荡的基本原理正弦波振荡的基本原理8.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 比较器比较器8.6 方波发生器方波发生器8.7 三角波及锯齿波发生器三角波及锯齿波发生器 一一.正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理正反馈正反馈（+）（+）相位条件相位条件原型原型正反馈放大器正反馈放大器正弦振荡的条件：正弦振荡的条件：环路增益环路增益选频：选频：正弦波振荡器，输出是单一频正弦波振荡器，输出是

2、单一频率的正弦信号（率的正弦信号（f0),只允许在一个频率只允许在一个频率上产生振荡，只允许在上产生振荡，只允许在 f0 上满足振荡上满足振荡条件（相位和幅值），要求振荡器中设条件（相位和幅值），要求振荡器中设置置选频网络选频网络。选频网络选频网络由由RC ,LC，石英晶体构成。，石英晶体构成。可放在基本放大器可放在基本放大器A或反馈网络或反馈网络F中。中。二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡1|FA（略大于）略大于）1 1、被动：利用放大器的限幅特性、被动：利用放大器的限幅特性2 2、主动：在电路中加入稳幅环节，用以、主动：在电路

3、中加入稳幅环节，用以调节放大电路的增益调节放大电路的增益稳幅过程稳幅过程：稳幅措施稳幅措施：Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX干扰、噪声中选择所干扰、噪声中选择所需的频率成分需的频率成分起振时，起振时，1|FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|FA1|FA 1.1.基本放大电路基本放大电路 A 三三.正弦波振荡器的组成正弦波振荡器的组成2.2.正反馈网络正反馈网络 F3.3.选频网络选频网络4.4.稳幅环节稳幅环节RC，LC，晶体晶体A与与F首尾相连首尾相连正弦波振荡器命名正弦波振荡器命名RCLC低频低频高频高频晶体晶体稳频稳频8.2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路RC桥式振荡器

4、桥式振荡器基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络F选频网络选频网络uo_+RfRCRR1 uf ua C运放的限幅特性运放的限幅特性一一.RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF .)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 F式中：式中：RC10 RCf 210

5、 2002)(31 F幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：3)(arctg00 FRC串并联网络的频率特性曲线：串并联网络的频率特性曲线：o|F|1/32002)(31 F当当 时时 F=Fmax=1/3RC10 RCf 210 3)(arctg00 FF 当当 时时 RC10 0RCf 210 Fo+90-90二二.RC桥式振荡器的工作原理桥式振荡器的工作原理输出正弦波频率：输出正弦波频率：RCf210uRf1RRRCCufA1+oua基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络Fo0 A 在在 f0 处处o0 F 满足相位条件：满足相位条件：AF131 F11f 33R R选：选：1f2

6、RR A3o0 FA 幅值条件：幅值条件：相位条件：相位条件：选频网络选频网络 Fo+90-90能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）u+A1otRR1RRCC起振时起振时Rt较大较大,使使A3,易起振。易起振。随随uo幅度增长，幅度增长，IRt增大，温度升增大，温度升高，高，Rt减小。减小。11t RRAuo幅度自动稳定于某一幅值。幅度自动稳定于某一幅值。直至直至 A=3。能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路 起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略略大于大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加，D1、D2逐渐导通，逐

7、渐导通，Rf2被短接，被短接，A自动下降，自动下降，直至直至A=3，起到稳幅作用。，起到稳幅作用。u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2R1A=11f1 33R R +Rf2稳幅措施稳幅措施K：双联波段开关，：双联波段开关，切换切换R，用于，用于粗调振荡频率。粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：振荡频率的调节：_+RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：振荡频率：RCf 210 电子琴的振荡电路：电子琴的振荡电路：_+RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23

8、R22R21R22112CRR0f12345176功率放功率放大器大器三三.RC移相式振荡电路移相式振荡电路 基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络F移相式选频网络1+uofuRRRCCCRC超前移相电路超前移相电路+uouf+RRRCCCRC滞后移相电路滞后移相电路 Fo+90+180+2700 Fo-90-180-2700移相网络的选频特性：移相网络的选频特性：RCf6210 RC610 基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络FRC移相式振荡电路的工作原理移相式振荡电路的工作原理相位条件：相位条件：o180 A 在在 f0 处处o180 F o360 FA 满足相位条件：满足相位条

9、件：幅值条件幅值条件:AF1很易满足很易满足RCf6210 振荡频率：振荡频率：u+A+/=/oR2R1R0RRCCCufRRR01R1+ua-8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器1.LC并联谐振回路的并联谐振回路的选频特性选频特性R为电感线圈中的损耗电阻为电感线圈中的损耗电阻等效阻抗：等效阻抗：CL001 并联谐振并联谐振：CLRQ1 品质因数品质因数 LC10 谐振频率谐振频率 RCLZ 0谐振阻抗谐振阻抗)1(j12200 QZLC10 RCLZZ 0(阻值最大阻值最大且为纯阻且为纯阻)1j(jj1)j(j1CLRCLLRCLRCIUZ -+LCRiCiLiuZ LC10 RCLZZ 0

10、|(阻性阻性)幅频特性幅频特性 相频特性相频特性Q值越高，则幅频特性越尖锐，相频特性越陡峭，选频特性越好。值越高，则幅频特性越尖锐，相频特性越陡峭，选频特性越好。LC并联谐振回路的并联谐振回路的特性曲线特性曲线0 （最大值（最大值)2.LC选频放大器选频放大器宽带放大器宽带放大器选频放大器选频放大器f0AumfAuf-180obeCurRA f0 谐振频率谐振频率 Z 选频放大器各级之间采用变压器耦合选频放大器各级之间采用变压器耦合C交流通路交流通路Vcc直流通路直流通路二二.变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 相位条件：相位条件：三极管共射选频放大器。三极管共射选频放大器。谐振时（

11、谐振时（f=f0):利用互感线圈的同名端：利用互感线圈的同名端：oA180 oF180 oFA360 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:(谐振频率）谐振频率）LCf 210 用用瞬时极性法瞬时极性法判断是判断是否是正反馈。否是正反馈。基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络F幅值条件：幅值条件：AF1 很易满足很易满足选频网络选频网络互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端同名端的电压极性相同，异名端的电压极性相反。同名端的电压极性相同，异名端的电压极性相反。VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)uiuo

12、uf(+)变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡器振荡器举例举例共基极选频放大器共基极选频放大器旁路电容和耦合电容均交流短路旁路电容和耦合电容均交流短路满足相位平衡条件满足相位平衡条件（+）（+）（）（+）变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡器振荡器举例举例（）满足相位平衡条件满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2uiuouf三三.三点式三点式LC振荡器振荡器 1.电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率振荡频率(谐振频率）：谐振频率）：CMLLLCf)2(2121210 uiuouf+简化的交简化的交流通路流通路满足相位平衡条件满足相位平衡条件判断是否是正反馈判断是

13、否是正反馈:用用瞬时极性法瞬时极性法判断判断2.2.电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率(谐振频率）：谐振频率）：ui+uo+uf+满足相位平衡条件满足相位平衡条件判断是否是正反馈判断是否是正反馈:用用瞬时极性法瞬时极性法判断判断例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。不满足相位平衡条件不满足相位平衡条件例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。不满足相位平衡条件不满足相位平衡条件A.若中间点交流接地，则首

14、端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。C1C2首首端端尾尾端端中中间间端端L电容三点式电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式三点的相位关系三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。满足相位平衡条件满足相位平衡条件VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。

15、VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）满足相位平衡条件满足相位平衡条件uiuoufuiuouf8.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路一一.正弦波振荡器的频率稳定问题正弦波振荡器的频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。影响频率稳定的主要因素：影响频率稳定的主要因素：温度变化时，温度变化时，LC参数变化、三极管参数变化。参数变化、三极管参数变化。负载对谐振回路的影响。负载对谐振回路的影响。稳频措施：稳频措施：选择温度稳定性好的选择温度稳定性好的LC及三极管及三极管负载与振荡器之间加缓冲器（射随）负

16、载与振荡器之间加缓冲器（射随）提高提高LC谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数QQ值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。LC谐振回路谐振回路 Q 数百数百石英晶体谐振回路石英晶体谐振回路 Q 10000 50000 f90o-90of0LC谐振回路的相频特性谐振回路的相频特性Q值增大值增大f0f0f0CLRQ1 品质因数品质因数 设振荡电路在谐振频率设振荡电路在谐振频率f0满满足相位平衡条件。足相位平衡条件。温度变化使电路参数变化，温度变化使电路参数变化，产生了产生了 t二二.石英晶体石英晶体2.基本特性基本特性1.结构：结构：极板间加电场极板间加电场压电效应：压

17、电效应：加交变电压加交变电压当交变电压频率与当交变电压频率与 晶晶 体固有频率一致体固有频率一致压电谐振：压电谐振：SiO2晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场 机械振动机械振动产生交变电场产生交变电场交变电场交变电场 幅度加大幅度加大机械振动幅机械振动幅 度突然加大度突然加大 VV晶片晶片敷银层敷银层符号符号VV3.石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：LCf 21s 串联谐振串联谐振频率特性：频率特性：晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值00p121CCLCf 并联谐振并联谐振0s1CCf uu石英晶体uuLCCoR等效电抗等效电抗）（02

18、021LCCCCLCX 晶体等效阻抗为纯阻且最大晶体等效阻抗为纯阻且最大fX感性感性0fsfp容容性性典型值：典型值：L=100mH C=0.015pf R=100258191 CLRQ通常通常0CC 所以所以很很接接近近与与 psff实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs串联谐振串联谐振:s0s121CCCLCf s0s1CCCf ；时时，0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 并联谐振：并联谐振：0p121CCLCf 等效电抗等效电抗）（020S0S02S)()(1LCCCCCCCCCLCCX fX感性感性0fsPf容容

19、性性SffX感性感性0Sffp容容性性uuLCCoR二二.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器+A+CC12Cs石英晶体C为为C1、C2、CS、相串，、相串，CS UREF(u+u-)ui UREF(u-u+)ui 0时时,uo=+(UZ+UD)+UZ3.有限幅功能的比较器有限幅功能的比较器|UZ|Uom|uoui0+UZ-UZ +Uom-Uom当当ui 0时时,uo=-UZ当当ui 0时时,uo=+UZ uuZ+O-+AuZ+DuRi|UZ|Uom|若若ui从反相端输入从反相端输入uoui+UZ-UZ稳压管截止，稳压管截止，运放开环，运放开环，uO=A

20、od ui保证突变保证突变（2）限幅电路的另一种形式：）限幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在反馈回路中将双向稳压管接在反馈回路中uoui0+UZ-UZuu+-u+uAOiDZR当当ui 0时时,uo=-UZ稳压管击穿，稳压管击穿，引入负反馈，引入负反馈，“虚短虚短”，uO=UZ二二.迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器）1.迟滞比较器结构迟滞比较器结构设设uREF=0o2f2uRRRu 当当uo=+UZ时，时，TZ2f2UURRRu当当uo=-UZ时，时，TZf22UURRRuuuA+RZ+DOfRZiR1R2u+特点特点:电路中使用正反馈，形成了迟滞特性，且加速电路中使用正反

21、馈，形成了迟滞特性，且加速翻转。运放仍处于非线性状态。翻转。运放仍处于非线性状态。2.迟滞比较器工作原理迟滞比较器工作原理uoui0+UZ-UZUT+UT-uuiA+RZ+DORfZR1R2u+Z2f2TURRRU Zf22TURRRU 传输特性传输特性上门限电平上门限电平下门限电平下门限电平Z2f2TT2URRRUU 回差回差回差回差tuiUT+UT-tuo UZ-UZ例例:设输入为正弦波设输入为正弦波,画出输出的波形。画出输出的波形。uoui0+UZ-UZUT+UT-uuiA+RZ+DORfZR1R2u+当当uo=+UZ时，时，当当uo=-UZ时，时，上门限电平上门限电平 T2ff2f2U

22、URRRURRRuREFZ下门限电平下门限电平 Tf2ff22UURRRURRRuREFZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器REF2ffO2f2URRRURRRU 回差电压回差电压Z2f2TT2URRRUU uoui 0UT+UT-传输特性传输特性+UZ-UZ回差回差1.电路结构电路结构由迟滞比较器和由迟滞比较器和RC充放充放电回路构成的电回路构成的上下限上下限:8.6 方波发生器方波发生器ZZf11TFUURRRU ZZf11TFUURRRU f11RRRF u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC2.工作原理：工作原理：

23、0UT+uct UT-UZuo0t -UZ方波发生器方波发生器2.工作原理：工作原理：UZ -UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC UZuo0t -UZ周期与频率的计算：周期与频率的计算：0UT+uctUT-T此期间是起始段此期间是起始段,实际上用示波器观察实际上用示波器观察波形时看不到这段波形波形时看不到这段波形.u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期与频率的计算：周期与频率的计算：因正反向充电条件一样因正反向充电条件一样,所以所以T1=T2，T=T1+T2=2 T2。uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e-t T2阶段阶段uc(t)的过的过渡过程方程为渡过程方程为

24、:0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2Tuou+A+-u+u1RfRZRZDORCuC=RCUC(0+)=Zf11TURRRU UC()=+UZZf11TURRRU UC(T2)=0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2T周期与频率的计算：周期与频率的计算：)21ln(2f1RRRCT f =1/T)21ln(f12RRRCT u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC占空比占空比50%，不可调，不可调3 3、占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了充放电的时间，的滑动端，就改变了充放电的时间，从而使方波的占空比可调。从而使方

25、波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC设设Rw2 Rw1UZuo0t-UZRw2Rw18.7 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器一一.三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：)(0dt12o1o42o uuCRu2o2121o211uRRRuRRRu 若若uo1=-UZ)(02o4Z2o utCRUu若若uo1=UZ)(02o4Z2o utCRUu波形图波形图uR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2

26、-UZ振荡周期：振荡周期：2414RCRRT f =1/T频率：频率：UT+uo2tUT-+UZuo1tTTu+t 二二.锯齿波发生器锯齿波发生器改变积分器的正反向改变积分器的正反向充电电流充电电流uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6R R6R4+UZuo10t -UZuo2uo1=-UZ，D导通，导通，充电充电电流电流：-UZ (R6R4)uo1=+UZ，D截止，截止，充电充电电流：电流：+UZ R48.7 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器一一.三角波发生器三角波发生器u+R+A1

27、+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A20UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTT振荡周期：振荡周期：频率：频率：f =1/T2414RCRRT 本章小结本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件：AF=1 （振幅条件）（振幅条件）（相位条件（相位条件n2FA正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和振荡电路和LC振荡电路两种。振荡电路两种。RC振荡电振荡电路主要用于中低频场合，路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振振荡

28、电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。其分析当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。其分析方法为：方法为：若若U U+U U-则则U UO O=+U=+UOMOM；若若U U+U U-则则U UO O=-U=-UOMOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0）4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状

29、态的典型应用。回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。波形图波形图uR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2 -UZ振荡周期：振荡周期：2414RCRRT f =1/T频率：频率：UT+uo2tUT-+UZuo1tTTu+t2.迟滞比较器工作原理迟滞比较器工作原理 设设 uo=-UZ,U+=UT-ui UT-这时这时,uo=-UZ,U+=UT-设初始值设初始

30、值:uo=+UZ,u+=UT+ui UT+,uo从从+UZ -UZui UT-当当ui=UT-,uo从从-UZ+UZ这时这时,uo=+UZ,U+=UT+ui UT+uuiA+RZ+DORfZR1R2u+例题：例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V82ff2f2T REFZURRRURRRUV32ff2f2T REFZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6V

31、uoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R28.7 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器一一.三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ，uo2，u+。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ，uo2，u+。当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为+UZ。波形图波形图uR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o20UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTT振荡周期：振荡周期：2414RCRRT f =1/T频率：频率：uf与与uo反相反相uuCLL12ofuuo1LC2Lfuf与与uo同相同相电感三点式：电感三点式：电容三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与与uo反相反相uuLCoC12fuf与与uo同相同相